軌道電路是信號聯(lián)鎖的室外重要設(shè)備，起著保證行車和調(diào)車作業(yè)安全的作用,。它能監(jiān)督檢查某一固定區(qū)段內(nèi)的線路（包括站線）是否有列車運(yùn)行,、調(diào)車作業(yè)或車輛占用的情況，并能顯示該區(qū)段內(nèi)的鋼軌是否完整,。它是以鋼軌為導(dǎo)線,，軌縫間用接續(xù)線連續(xù)起來，一端接電源,，另一端連接受電器,，通過軌道電流來工作。

    軌道電路能否正常工作直接影響到列車的安全行駛,，因此,，對軌道電路的檢測尤為重要，目前市場上的檢測設(shè)備還很少,，而且普遍存在功耗大,，價(jià)格昂貴，體積大等不足,。為此,，本文通過對軌道電路分析研究，設(shè)計(jì)一種高精度的壓力測試儀器來模擬火車對軌道的壓力,，從而驗(yàn)證軌道電路的性能,。

系統(tǒng)的組成及其工作原理

    本系統(tǒng)以PIC16F876A單片機(jī)為核心，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)其對數(shù)據(jù)處理,、系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示,，由主控MCU模塊,、A/D采樣模塊、電源管理模塊,、顯示模塊和傳感器組成,。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)各部分的主要功能是：電源管理主要負(fù)責(zé)對電池電壓進(jìn)行檢測和升壓穩(wěn)壓，當(dāng)電壓低于3V,，系統(tǒng)停止工作,，并進(jìn)行欠壓報(bào)警。主控MCU負(fù)責(zé)對采集來的壓力信號進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算,，將電壓信號轉(zhuǎn)換為壓力值,，在數(shù)碼管上顯示，并可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)零及滿量程調(diào)整,。系統(tǒng)精度要求是±0.1kN,；可以進(jìn)行超量程報(bào)警和未接傳感器報(bào)警。為了達(dá)到低功耗的目的，在軟件中做了休眠和關(guān)機(jī)的功能,。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1 電源管理電路設(shè)計(jì)

電源管理主要是對電池電壓進(jìn)行升壓和穩(wěn)壓,，同時(shí)還能夠進(jìn)行過壓保護(hù)和低壓報(bào)警功能。采用TPS60230芯片組成升壓電路,，TPS60230是TI公司生產(chǎn)的一種新型電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器,。其應(yīng)用原理如圖2所示。電池的電壓2～5.4V接入TPS60230輸入腳IN,，圖中C1,、C2為電荷泵電容，采用等效電阻小的電容,。R1,、R2分壓來確定低電壓報(bào)警門限，當(dāng)?shù)陀赗1,、R2的分壓值時(shí),，LBO輸出低電平，單片機(jī)查詢到有低電平后就控制模擬開關(guān)切斷后續(xù)電路電源,；輸出5V接后面的模擬開關(guān)和單片機(jī),。

圖2 電源管理電路

2 單片機(jī)與采樣電路設(shè)計(jì)

根據(jù)精度要求，本系統(tǒng)采用ADI公司的16位A/D芯片AD7705,，AD7705芯片將放大,、濾波和A／D轉(zhuǎn)換單元集于一體，是一種低成本,、寬動(dòng)態(tài)范圍,、高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換芯片。AD7705與單片機(jī)通過SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，連接如圖3所示,，其中，CH1和CH2為差模輸入通道,，REF為滿量程電平,，通過調(diào)節(jié)RP1來設(shè)置滿量程電平。單片機(jī)作為主機(jī),，通過四線（CS,、SCLK、DI,、DO）SPI與AD7705相連,，DRDY為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成信號，低電平有效,，與單片機(jī)RC2口相連,，單片機(jī)查詢到RC2口有低電平時(shí),，就開始向AD7705發(fā)讀寄存器指令來獲取AD值。CH1+和CH1-為來自壓力傳感器的壓力信號,，CH2+和CH2-為調(diào)零電位器送來的信號,。

圖3 采樣電路

3 顯示與報(bào)警電路設(shè)計(jì)

    顯示與報(bào)警電路如圖4所示，顯示部分采用7段4位數(shù)碼管顯示,，PORTB口連接數(shù)碼管的段碼,，RC0、RC1,、RC6,、RC7口經(jīng)過三極管驅(qū)動(dòng)放大控制數(shù)碼管的選擇端。當(dāng)單片機(jī)檢測到RA1口有低電平信號后,，控制模擬開關(guān)切斷后續(xù)電路的電源,，與此同時(shí)，D1和蜂鳴器B發(fā)出報(bào)警信號,。當(dāng)壓力超過系統(tǒng)量程時(shí),，D2和蜂鳴器報(bào)警。為了區(qū)分低壓報(bào)警和超量程報(bào)警,，D1和D2采用不同的顏色,，蜂鳴器在等間隔內(nèi)響的次數(shù)不同。

圖4 顯示與報(bào)警電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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1 采樣和數(shù)據(jù)處理
 
①AD7705的讀寫時(shí)序
AD7705通過四線SPI與單片機(jī)通信,，其讀寫時(shí)序圖如圖5(a),、(b)所示，讀寫過程中串行數(shù)據(jù)高位在前,，低位在后,。DRDY為低電平說明A/D已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢，數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好,，可以啟動(dòng)讀寫指令,。任何時(shí)候要對AD7705進(jìn)行讀寫操作都須檢查DRDY是否為低。

圖5 AD7705讀寫時(shí)序圖

②AD7705的寄存器

第一個(gè)是通信寄存器(communication Register),，選擇采集通道、下一次操作是讀還是寫,，以及下一次讀寫哪一個(gè)寄存器,。
第二個(gè)是設(shè)置寄存器（Setup Register），決定校準(zhǔn)模式,、增益設(shè)置,、極性設(shè)置以及緩沖模式。
第三個(gè)是時(shí)鐘寄存器(CLOCK Register),，設(shè)置濾波器記憶時(shí)鐘控制位,。
軟件編程思路也是按這個(gè)順序?qū)懙?，先設(shè)置通信寄存器，其次寫設(shè)置寄存器,，最后設(shè)置時(shí)鐘寄存器,。設(shè)置完之后，只要檢測到DRDY為低電平,，就可以啟動(dòng)時(shí)鐘來讀取AD7705數(shù)據(jù)寄存器中已轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù),。

2 數(shù)據(jù)處理算法思路

數(shù)據(jù)處理主要是將電壓信號轉(zhuǎn)換成壓力值，將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,。已知：傳感器的參數(shù)為10mV對應(yīng)的是30kN,，A/D的滿量程電壓為1.5V，設(shè)采集的A/D值為K,，設(shè)換算后的壓力為X,，10mV對應(yīng)的A/D值為D，增益為64,，則由以上參數(shù)可求出：
  (1)
        (2)
式(2)就是轉(zhuǎn)換后的壓力值和采集的A/D值的關(guān)系,。
因?yàn)閱纹瑱C(jī)不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，為了能精確的顯示結(jié)果,，用軟件模擬浮點(diǎn)除法運(yùn)算,，其主要思想是：定義一整型變量INTD，將除的結(jié)果存入INTD中,，因?yàn)槭钦妥兞?，所以除法的結(jié)果只取了整數(shù)部分，例如5/4=1,，模擬除法的算法主要依據(jù)這一特性,。

第一步，如果采集來的值K大于932,，K/932存入整型變量中即可得到整數(shù)部分,。
第二步，用K對932取余得到R,，顯然R小于932,，然后得到小數(shù)點(diǎn)后第一位，再用R×10對932取余得到R1,，小數(shù)點(diǎn)后第二位,以此類推,，得到小數(shù)點(diǎn)后第三位dec3。

第三步,，如果采集來的值K小于932,，直接進(jìn)行第二步操作。

第四步,，與邏輯零點(diǎn)進(jìn)行比較,，得到理論壓力值,，并進(jìn)行BCD轉(zhuǎn)換在數(shù)碼管上顯示。

圖6 軟件流程圖

3 程序編程思路及流程圖
系統(tǒng)軟件編程采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制,，上電之后進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化,，包括I/O口初始化、定時(shí)器初始化,、SPI初始化等,。初始化完后進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，在循環(huán)體中根據(jù)任務(wù)標(biāo)志位進(jìn)行任務(wù)處理,，主要任務(wù)有：欠壓處理,、數(shù)據(jù)采集、睡眠,、關(guān)機(jī)等,。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，先采集通道2的值,，然后采集通道1,，如果傳感器未接，則采集來的值為零或者近似零,，系統(tǒng)報(bào)警等待,。如果采集來的值大于零，則參與運(yùn)算,。求出理論值顯示,。